CN117916639A

CN117916639A - 用于近眼显示器的封装光导光学元件

Info

Publication number: CN117916639A
Application number: CN202280042308.5A
Authority: CN
Inventors: 耶谢·丹齐格; 埃坦·罗宁; 阿米尔·沙皮拉; 伊多·富克斯; 埃德加·弗里德曼; 阿维夫·弗罗默
Original assignee: Lumus Ltd
Current assignee: Lumus Ltd
Priority date: 2021-06-15
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2024-04-19

Abstract

光学器件具有由具有第一折射率的透光材料形成的LOE。LOE的成对平行主外表面通过TIR在LOE内引导图像照明。LOE的至少一个光学耦合构造使通过TIR在LOE内被引导的图像照明中的一定比例进行偏转。光学材料包括至少一种透明材料，其至少在主外表面处直接附接到LOE以与主外表面直接接触并且至少部分地封装LOE。光学材料具有小于第一折射率的第二折射率，以维持主外表面处的TIR条件。在某些实施方式中，TIR引导的图像照明以大于临界角的角度入射到主外表面，其中临界角包括浅角。

Description

用于近眼显示器的封装光导光学元件

相关申请的交叉引用

本申请要求2021年6月15日提交的美国临时专利申请第63/210,672号、2021年10月4日提交的美国临时专利申请第63/251,918号以及2022年3月28日提交的美国临时专利申请第63/324,164号的优先权，这些优先权申请的全部公开内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及光学器件，特别是具有封装的光导光学元件的光学器件。

背景技术

近眼显示器(near eye display，NED)、头戴式显示器(head mounted display，HMD)和平视显示器(head up display，HUD)的光学布置需要大孔径以覆盖观察者的眼睛所在的区域(通常被称为眼睛运动盒或EMB(eye motion box))。为了实现紧凑的器件，要投影到观察者的眼睛中的图像由具有小孔径的小型光学图像生成器(投影仪)生成，该小孔径被倍增以生成大孔径。可以通过多种方式实现孔径倍增(扩展)。用于实现孔径倍增的一组解决方案采用光导光学元件(light-guide optical element,LOE)，并且已在鲁姆斯有限公司(以色列)的各种出版物中进行了描述。在一些示例解决方案中，来自图像投影仪的图像照明被注入到LOE中，以通过LOE的外表面处的全内反射传播通过LOE。通过使用成倾斜角度的部分反射器或者通过在LOE的一个表面上使用衍射光学元件，传播的照明逐渐从LOE朝向观察者的眼睛耦出。

发明内容

本发明的实施方式提供了封装的光导光学元件(light-guide optical element，LOE)、具有封装LOE的光学器件、制造具有封装LOE的光学器件的方法以及封装LOE的方法。所公开的实施方式的每个LOE由具有第一折射率的透光材料形成，LOE通过在LOE的一对(并且在某些实施方式中为两对)平面平行主外表面处的全内反射来支持图像照明的传播，并且包括用于重定向/偏转一些传播的图像照明的至少一个光学耦合构造。LOE在主外表面处至少部分地被封装在胶囊部中，胶囊部由具有第二折射率的光学材料形成，第二折射率小于第一折射率，以维持LOE的主外表面处的全内反射条件。光学材料(也被称为低折射率材料)直接附接到主外表面，使得在低折射率材料之间不存在中间材料或物质(包括空气)。作为结果，封装是无气隙封装。低折射率材料包括至少一种透明低折射率材料。在某些实施方式中，低折射率材料仅由单一透明低折射率材料构成。在其他实施方式中，低折射率材料包括相邻放置的两种透明低折射率材料。在又一些实施方式中，低折射率材料包括透明低折射率材料和相邻放置的吸光低折射率材料。

在某些优选实施方式中，LOE被构造成用于执行一维孔径扩展，而在其他优选实施方式中，LOE被构造成用于执行二维孔径扩展。在LOE执行二维孔径扩展的实施方式中，LOE的第一区域执行孔径扩展的第一阶段并且LOE的第二区域执行孔径扩展的第二阶段。在LOE执行二维孔径扩展的某些实施方式中，吸光材料被部署在附接到LOE的第一区域的低折射率材料的部分处。如上所述，在某些实施方式中，使用多于一种低折射率材料来封装LOE。这样的实施方式与LOE执行二维孔径扩展的实施方式结合特别有用，其中第一低折射率材料附接到LOE的执行孔径扩展的第一阶段的第一区域，并且第二低折射率材料附接到LOE的执行孔径扩展的第二阶段的第二区域。在某些实施方式中，第一低折射率材料和第二低折射率材料二者都是透明材料，并且吸光材料部署在第一低折射率材料上。在其他实施方式中，第二低折射率材料是透明材料并且第一低折射率材料是具有固有低折射率的吸光材料。

根据本发明的实施方式的教导，提供了一种用于将图像照明引向用户以供观看的光学器件。该光学器件包括：由具有第一折射率的透光材料形成的光导光学元件(light-guide optical element，LOE)，LOE包括多个表面，所述多个表面包括一对平行的主外表面，该对平行的主外表面用于通过在主外表面处的全内反射在LOE内引导图像照明，LOE还包括至少一个光学耦合构造，光学耦合构造用于使通过主外表面处的全内反射在LOE内被引导的图像照明中的一定比例进行偏转；以及光学材料，其包括至少一种透明材料，光学材料至少在主外表面处直接附接到LOE以与主外表面直接接触并且至少部分封装LOE，光学材料具有小于第一折射率的第二折射率，以维持主外表面处的全内反射条件，并且通过主外表面处的全内反射在LOE内被引导的图像照明以大于由第一折射率和第二折射率限定的临界角的角度范围入射到主外表面，并且大于临界角的角度包括相对于主外表面测量的浅角。

可选地，至少一种透明材料由固态材料形成。

可选地，至少一种透明材料由一层或更多层光学粘合剂形成。

可选地，至少一种透明材料是聚合物或介电材料的薄涂层。

可选地，光学材料具有足够小的厚度，使得光学材料的表面图案遵循主外表面处的瑕疵图案。

可选地，厚度在从2μm至20μm的范围内。

可选地，第一折射率在从1.5至1.8的范围内。

可选地，第二折射率在从1.3至1.4的范围内。

可选地，至少一个光学耦合构造包括恰好一个光学耦合构造，该恰好一个光学耦合构造使通过主外表面处的全内反射在LOE内被引导的图像照明中的所述比例从LOE朝向用户偏转出去。

可选地，将光学耦合构造实现为部署在LOE内并且倾斜于主外表面的多个相互平行的部分反射表面。

可选地，将光学耦合构造实现为与主外表面之一相关联的至少一个衍射元件。

可选地，LOE包括第一区域和第二区域，并且至少一个光学耦合构造包括位于第一区域中的第一光学耦合构造和位于第二区域中的第二光学耦合构造，第二光学耦合构造被构造成用于使通过主外表面处的全内反射在LOE内被引导的从第一区域到第二区域的图像照明的一部分从LOE朝向用户偏转出去，并且第一光学耦合构造被构造成用于使通过主外表面处的全内反射在第一区域内被引导的图像照明的一部分朝向第二区域偏转。

可选地，将第一光学耦合构造实现为具有第一取向的第一多个相互平行的部分反射表面，并且将第二光学耦合构造被实现为具有不平行于第一取向的第二取向的第二多个相互平行的部分反射表面。

可选地，将第一光学耦合构造实现为与主外表面之一相关联的第一至少一个衍射元件，并且将第二光学耦合构造实现为与主外表面之一相关联的第二至少一个衍射元件。

可选地，光学器件还包括：与至少一种透明材料的在第一区域中的一个或更多个部分相关联地部署的吸光材料。

可选地，吸光材料具有等于第一折射率或者与第一折射率相比不多于10％的折射率。

可选地，光学器件还包括：附接到至少一种透明材料的至少一个光学元件。

可选地，至少一个光学元件包括：透镜，其附接到至少一种透明材料的直接附接到主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及保护膜，其附接到至少一种透明材料的直接附接到主外表面中的第二主外表面的第二部分。

可选地，至少一个光学元件包括：第一透镜，其附接到至少一种透明材料的直接附接到主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及第二透镜，其附接到至少一种透明材料的直接附接到主外表面中的第二主外表面的第二部分。

可选地，至少一个光学元件包括：第一保护膜，其附接到至少一种透明材料的直接附接到主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及第二保护膜，其附接到至少一种透明材料的直接附接到主外表面中的第二主外表面的第二部分。

可选地，LOE是在将光学材料直接附接到LOE之前从前体LOE切割的预切割LOE，使得LOE基本上仅包括图像照明在其中传播的有效区域，并且LOE的一个或更多个周边边缘涂覆有至少一层不透明材料。

根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种用于制造将图像照明引向用户以供观看的光学器件的方法。该方法包括：获得由具有第一折射率的透光材料形成的光导光学元件(LOE)，LOE包括多个表面，该多个表面表面包括一对平行的主外表面，该对平行的主外表面用于通过主外表面处的全内反射在LOE内引导图像照明，LOE还包括至少一个光学耦合构造，光学耦合构造用于使通过主外表面处的全内反射在LOE内被引导的图像照应中的一定比例进行偏转，并且通过主外表面处的全内反射在LOE内被引导的图像照明以大于由第一折射率和第二折射率限定的临界角的角度范围入射到主外表面，并且大于临界角的角度包括相对于主外表面测量的浅角；以及至少在主外表面处将包括至少一种透明材料的光学材料直接附接到LOE，使得光学材料直接接触主外表面并且至少部分地封装LOE，光学材料具有小于第一折射率的第二折射率，以维持主外表面处的全内反射条件。

可选地，LOE包括图像照明在其中传播的有效区域以及图像照明不在其中传播或者图像照明未被引向用户的无效区域，该方法还包括：在将光学材料直接附接到LOE之前：修改LOE以去除无效区域，使得基本上仅保留LOE的有效区域，从而产生经修改的LOE，并且用至少一层不透明材料涂覆经修改的LOE的一个或更多个周边边缘。

可选地，光学材料另外在经修改的LOE的一个或更多个周边边缘处直接附接到不透明材料。

可选地，该方法还包括：切割或修整光学材料以获得目镜的轮廓。

可选地，该方法还包括：将至少一个光学元件附接到至少一种透明材料。

可选地，LOE包括第一区域和第二区域，并且至少一个光学耦合构造包括位于第一区域中的第一光学耦合构造以及位于第二区域中的第二光学耦合构造，第二光学耦合构造被构造成用于使通过主外表面处的全内反射在LOE内被引导的从第一区域到第二区域的图像照明的一部分从LOE朝向用户偏转出去，并且第一光学耦合构造被构造成用于使通过主外表面处的全内反射在第一区域内被引导的图像照明的一部分朝向第二区域偏转，并且方法还包括：将吸光材料与至少一种透明材料的在第一区域中的一个或更多个部分相关联地部署。

可选地，将至少一种透明材料直接附接到LOE包括：执行选自由浸涂、旋涂、结合和模制构成的组的过程。

根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种用于将图像照明引向用户以供观看的光学器件。该光学器件包括：由具有第一折射率的透光材料形成的光导光学元件(LOE)，LOE包括：多个表面，所述多个表面包括至少一对平行的主外表面，该至少一对平行的主外表面用于通过主外表面处的全内反射在LOE内引导图像照明；第一区域和第二区域；以及位于第一区域中的第一光学耦合构造和位于第二区域中的第二光学耦合构造，第二光学耦合构造被构造成用于使通过主外表面处的全内反射在LOE内被引导的从第一区域到第二区域的图像照明的一部分从LOE朝向用户偏转出去，并且第一光学耦合构造被构造成用于使通过主外表面处的全内反射在第一区域内被引导的图像照明的一部分朝向第二区域偏转；透明材料，其至少在主外表面处直接附接到LOE以与主外表面直接接触并且至少部分封装LOE，透明材料具有小于第一折射率的第二折射率，以维持主外表面处的全内反射条件；以及吸光材料，其与透明材料的在第一区域中的一个或更多个部分相关联地部署。

根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种用于将图像照明引向用户以供观看的光学器件。该光学器件包括：由具有第一折射率的透光材料形成的光导光学元件(LOE)，LOE包括：多个表面，所述多个表面包括至少一对平行的主外表面，该至少一对平行的主外表面用于通过主外表面处的全内反射在LOE内引导图像照明，第一区域和第二区域，以及位于第一区域中的第一光学耦合构造和位于第二区域中的第二光学耦合构造，第二光学耦合构造被构造成用于使通过主外表面处的全内反射在LOE内被引导的从第一区域到第二区域的图像照明的一部分从LOE朝向用户偏转出去，并且第一光学耦合构造被构造成用于使通过主外表面处的全内反射在第一区域被内引导的图像照明的一部分朝向第二区域偏转；吸光材料，其在第一区域中的主外表面处直接附接到LOE，以在第一区域中与主外表面直接接触；以及透明材料，其在第二区域中的主外表面处直接附接到LOE，以与第二区域中的主外表面直接接触，透明材料和吸光材料协作以至少部分地封装LOE，并且透明材料和吸光材料中的每一个具有小于第一折射率的折射率以维持主表面外的全内反射条件。

根据本发明的教导的实施方式，还提供了一种用于将图像照明引向用户以供观看的光学器件。该光学器件包括：由具有第一折射率的透光材料形成的光导光学元件(LOE)，LOE包括：多个表面，所述多个表面包括至少一对平行的主外表面，该至少一对平行的主外表面用于通过主外表面处的全内反射在LOE内引导图像照明，第一区域和第二区域，以及位于第一区域中的第一光学耦合构造和位于第二区域中的第二光学耦合构造，第二光学耦合构造被构造成用于使通过主外表面处的全内反射在LOE内被引导的从第一区域到第二区域的图像照明的一部分从LOE朝向用户偏转出去，并且第一光学耦合构造被构造成用于使通过主外表面处的全内反射在第一区域内被引导的图像照明的一部分朝向第二区域偏转；至少一种透明材料，其至少在主外表面处直接附接到LOE以与主外表面直接接触并且至少部分封装LOE，至少一种透明材料具有小于第一折射率的第二折射率，以维持主外表面处的全内反射条件；至少一个保护膜，其至少与至少一种透明材料的一部分相关联，使得至少一个保护膜与第一区域中的主外表面中的至少一个的一部分相关联；以及涂层，其部署在至少一个保护膜的至少一部分上，使得涂层与至少一种透明材料的所述部分相关联。

可选地，在根据本发明的实施方式的任何一个光学器件中，第一区域被构造成具有形成矩形横截面的两对平行的主外表面的第一LOE部段，使得图像照明通过两对平行的主外表面处的全内反射传播通过第一LOE部段。

在本文的上下文中，术语“引导”通常是指以下的光：该光通过透光材料(例如，基板)的主外表面处的全内反射而被捕获在透光材料内，使得被捕获在透光材料内的光沿传播方向传播穿过透光材料。

除非本文中另有定义，否则本文中使用的所有技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文所描述的那些方法和材料相似或等同的方法和材料可以在实践或测试本发明的实施方式时使用，但是在下面描述了示例性的方法和/或材料。在有冲突的情况下，以包括定义的专利说明书为准。此外，材料、方法和示例仅是说明性的，并且不旨在必然是限制性的。

附图说明

在本文中参照附图仅通过示例描述本发明的某些实施方式。详细地具体参照附图，要强调的是，所示出的细节是作为示例并且是出于对本发明的实施方式的说明性论述的目的。在这方面，通过附图进行的描述使得本领域技术人员清楚如何实践本发明的实施方式。

现在关注附图，其中相同的附图标记表示相应或相似的部件。在附图中：

图1是可以用于本发明的实施方式的具有光导光学元件(LOE)的光学器件的示意性侧视图，该光学器件具有一对平行面以及倾斜于平行面的部分反射表面；

图2A至图2C分别是根据本发明的实施方式的具有与图1的LOE相似的LOE的光学器件的示意性侧视图、平面图和正视图，该光学器件由胶囊部封装，该胶囊部由折射率低于LOE的折射率的透明材料形成；

图3是类似于图2C的示意性前视图，但是图3示出了LOE的有效区域和无效区域；

图4A是根据本发明的实施方式的已经被修整或切割以去除无效区域的LOE的示意性前视图；

图4B是根据本发明的实施方式的图4A的LOE的示意性前视图，图4B示出了其上已施加不透明材料涂层的LOE的周边边缘；

图4C和图4D分别是根据本发明的实施方式的图4B的LOE的示意性前视图和平面图，该LOE由胶囊部封装，该胶囊部由折射率低于LOE的折射率的透明材料形成；

图4E是根据本发明的实施方式的图4C和图4D的封装LOE的示意性前视图，图4E示出了在被修整或切割成具有目镜轮廓之后的胶囊部；

图4F是根据本发明的实施方式的类似于图4E的封装LOE的示意性前视图，但是图4F示出了在被修改以包括可以容纳光学耦入构造的耦入区域之后的封装LOE；

图5A和图5B分别是根据本发明的实施方式的具有分别附接到胶囊部的第一表面和第二表面的透镜和保护膜的封装LOE的示意性侧视图和平面图；

图6A和图6B分别是根据本发明的实施方式的具有分别附接到胶囊部的第一表面和第二表面的第一保护膜和第二保护膜的封装LOE的示意性侧视图和平面图；

图7A和图7B分别是根据本发明的实施方式的具有分别附接到胶囊部的第一表面和第二表面的第一透镜和第二透镜的封装LOE的示意性侧视图和平面图；

图8A和图8B分别是根据本发明的实施方式的具有分别附接到胶囊部的第一表面和第二表面的第一透镜和第二透镜的封装LOE的示意性侧视图和平面图，每个透镜均具有涂覆的保护涂层或膜；

图9A和图9B分别是根据本发明的实施方式的具有LOE的光学器件的示意性前视图和侧视图，该LOE被构造成用于执行二维孔径扩展，由具有低于LOE的折射率的透明材料形成的胶囊部封装；

图10是根据本发明的实施方式的图9A和图9B的封装LOE的示意性前视图，图10示出了在被修整或切割成具有目镜轮廓之后的胶囊部；

图11是根据本发明的实施方式的类似于图9B的封装LOE的示意性侧视图，图11示出了分别附接到胶囊部的第一表面和第二表面的透镜和保护膜；

图12是图9A和图9B的LOE的示意性局部侧视图，图12示出了从LOE逃逸的光被胶囊部的外表面反射回LOE，并且还示出了来自外部场景的光被与LOE相关联的光学耦合构造朝向用户反射；

图13A和图13B是根据本发明的实施方式的类似于图9A和图9B的示意性前视图和侧视图，图13A和图13B示出了与形成胶囊部的透明材料的部分相关联的吸光材料；

图14是根据本发明的实施方式的图13A和图13B的LOE的示意性局部侧视图，图14示出了光的吸光材料吸收从LOE逃逸的光和来自外部场景的光；

图15是根据本发明的实施方式的示出与图9B所示类似的封装LOE的示意性侧视图，但是其中胶囊部由两种透明材料形成，每种材料的折射率低于LOE的折射率；

图16A和图16B分别是根据本发明的实施方式的类似于图15中所示的LOE的封装LOE的示意性侧视图和平面图，但图16A和图16B还示出了在LOE一侧的透明材料上的保护膜以及在保护膜的一部分上的附加涂层；

图17A和图17B分别是根据本发明的另一个实施方式的具有LOE的光学器件的示意性侧视图和正视图，该LOE由胶囊部封装并且被构造成用于执行二维孔径扩展，该胶囊部由第一透明材料和第二透明材料形成，每种材料的折射率均低于LOE的折射率；

图18是根据本发明的实施方式的图17A和图17B的光学器件的示意性侧视图，图18另外示出了分别附接到胶囊部的第一表面和第二表面的部分的透镜和保护膜；以及

图19是根据本发明的实施方式的图17A和17B的光学器件的示意性侧视图，图19另外示出了与胶囊部的第一透明材料的部分相关联的吸光材料。

具体实施方式

本发明的实施方式提供封装的光导光学元件(LOE)、具有封装LOE的光学器件、制造具有封装LOE的光学器件的方法以及封装LOE的方法。根据本发明的实施方式的封装LOE特别适合用作用于增强现实应用的近眼显示器或平视显示器的一部分。

参照附于说明书的附图，可以更好地理解根据本发明的实施方式的LOE、光学器件和方法的原理和操作。

在详细说明本发明的至少一个实施方式之前，应当理解的是，本发明在其应用方面未必限于在以下描述中阐述的和/或在附图和/或示例中示出的部件和/或方法的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式实践或执行。最初，在整个文档中，提及了诸如前和后等方向。这些方向基准仅是示例性的，并且仅为了易于呈现才使用并且指代附图中所示的任意取向。LOE和光学器件可以沿任何需要的取向部署。

作为介绍，图1示意性地示出了可以与本发明的实施方式一起使用的光导光学元件(LOE)12。最初，应注意图1中的LOE 12是光学器件10的一部分，该光学器件10可以包括除LOE 12之外的其他光学部件，最显著的是图像投影仪18和光学耦入构造22。这些部件也可以存在于根据本发明的实施方式构造和操作的光学器件中。

LOE 12被形成为透明(即透光)材料的平行面对(parallel-faced)的板(也称为基板)，图像照明通过板的外表面处的全内反射在其中传播(即被引导)。在该特定实施方式中，LOE 12具有多个表面，包括一对平面平行主外表面(面)14a、14b，用于通过全内反射引导图像照明(光)。

图像投影仪18产生图像20，图像20此处由照明光束20示意性地表示，照明光束20包括横跨光束的样本光线20A和20B的。图像20通过光学耦入构造22耦合到LOE 12中以产生反射光线24，反射光线24通过全内反射被捕获在LOE 12内，从而还产生光线26，其中光学耦入构造22如此处由耦合棱镜22示意性地示出(然而可以使用任何合适的耦入布置，包括耦合反射器和衍射光栅)。此处，耦合棱镜22包括三个主表面，其中一个主表面被定位成紧挨着LOE 12的斜边28(或与斜边28共面)(其中边28与主外表面14a、14b成倾斜角)。

耦入图像20通过来自主外表面14a、14b的重复全内反射沿LOE 12传播，从而射在光学耦出构造30上，此处光学耦出构造30被示意性地示为与主外表面14a、14b成倾斜角(α_sur)的一系列相互平行的部分反射内表面30a、30b、30c、30d、30e、30f(总体标为30)，其中部分图像强度被反射以被偏转出(耦出)基板而成为光线32A和32B，光线32A和32B朝向位于距离主外表面14a的出瞳(eye relief，ER)距离40处的眼睛运动盒(eye motion box，EMB)38中的(观察者/用户的)眼睛36的瞳孔34。LOE 12的透明度使观察者能够观看到覆盖在LOE12前面(即，面14b)处的外部场景(即，真实世界场景)的视图上的耦出图像20，这在光学器件10被部署为增强现实(augmented reality,AR)系统的一部分时特别有用。

为了使图像20的可能导致重影的不希望的反射最少化，部分反射内表面(在本文中也称为“小平面”)30优选地涂覆有反射涂层，以对于第一入射角范围具有低反射比，同时对于第二入射角范围具有期望的部分反射率，其中与部分反射表面30的法线具有小倾斜度的光线(此处表示为角度β_ref)被分开以产生用于耦出的反射光线，而(相对于法线的)高倾斜度的光线被透射，其反射可忽略不计。

图像20是准直图像，即，每个像素由对应角度的平行光线束表示，相当于来自远离观察者的场景的光(准直图像被称为“准直至无穷远”)。图像在此处简单化地由与图像中单个点对应的光线表示，该点通常是图像的质心，但实际上图像包括与该中心光束的每一侧的一定角度范围，这些角度范围的光线以对应的角度范围耦合到基板中，并且类似地以对应的角度耦出，从而产生与以不同方向到达观察者眼睛36的图像的各部分对应的视场(field of view，FOV)。

尽管图像投影仪18在此示意性地示出为矩形，但是图像投影仪18包括至少一个光源，该光源通常被部署为照射空间光调制器，例如LCOS芯片。空间光调制器对图像的每个像素的投影强度进行调制，从而生成图像。替选地，图像投影仪可以包括通常使用快速扫描镜实现的扫描布置，该扫描布置跨投影仪的图像平面扫描来自激光光源的照射，同时在逐像素的基础上随着扫描运动同步地改变光束的强度，从而针对每个像素投影期望强度。在这两种情况下，提供准直光学器件以产生被准直到无穷远的输出投影图像。上述部件中的一些或全部通常布置在一个或更多个偏振分束器(polarizing beam splitter，PBS)立方体或本领域所公知的其他棱镜布置的表面上。

LOE 12的性能在很大程度上取决于整个期望场上的图像照明的全内反射(totalinternal reflection,TIR)。如本领域已知的，TIR的原理由临界角控制，临界角由构成LOE12的材料(通常为玻璃，例如折射率约为1.52的BK7)的折射率以及与LOE 12接触的周围介质的折射率确定。具体而言，光通过LOE传播的临界角被限定为其中η_m是LOE周围的介质的折射率，η_L是LOE的折射率。例如，如果LOE由BK7构成，并且与主外表面14a、14b直接接触的介质是空气(空气的折射率实际上为1，即折射率为1)，则

因此，LOE 12的性能通常由LOE 12内的传播光场的角度以及LOE 12和周围介质的折射率确定。

在利用LOE来执行孔径倍增(即孔径扩展)的常规光学器件例如图1的光学器件10中，接触LOE的主表面14a、14b的周围介质通常是空气。这会在几个方面造成问题。一方面，使LOE的主表面14a、14b与空气直接接触会使LOE暴露在环境中，从而使LOE不受保护易损坏，并且降低光学器件的整体机械稳定性。这也减少了LOE与其他功能元件或机械元件的机械接触面积，所述其他功能元件或机械元件例如为支承LOE的机械本体，特别是在某些近眼显示器实现方式中可以安装LOE的眼镜框架。另一方面，在主外表面14a、14b上部署附加的光学元件例如透镜或光学膜并且同时保持小的形状因数和良好的光学性能可能特别困难。例如，将附加光学元件直接结合到LOE的主表面会由于结合材料(例如光学胶)的折射率而对TIR产生负面影响，其中结合材料的折射率低于LOE的折射率但通常高于空气的折射率并且因此增大了临界角，从而降低了有效FOV，因此。可以通过附加光学元件与LOE 12之间的气隙来维持具有较低临界角的TIR条件，但是这样的气隙增加了光学器件的厚度，导致器件体积增大，并且还降低了器件的机械稳定性。

为了克服这些限制，本发明的实施方式提供由具有中等至适度高的折射率的材料形成并且至少部分地封装在由光学材料形成的封装结构中的LOE，该封装结构包括折射率低于LOE但仍大于1的至少一种透明材料。

现在转向图2A至图2C，图2A至图2C示意性地示出了根据本发明的实施方式构造和操作的通常以100表示的光学器件。此处，光学器件100包括LOE 12，并且还包括由封装LOE12的光学材料51形成的封装结构50。光学器件100可以被成形为近似于目镜的形式，即作为近眼显示器的一部分例如作为眼镜形状因数的一部分的的目镜。注意，图2A至图2C所示的LOE在结构上与图1所示的LOE相似，显著不同之处在于，图2A至图2C所示的LOE没有示出为具有斜边，并且在图2A至图2C中没有示出光学耦入构造。这仅是为了表达清楚，因为根据本公开内容的实施方式的封装LOE可以包括一个或更多个斜边(即，倾斜于平行表面14a、14b的边缘或表面)，并且与封装LOE一起使用的光学耦入构造将在本公开内容的后续部分中讨论。

图2A至图2C中还示出了LOE 12的另外两组外表面15a、15b和16a、16b。这些表面15a、15b、16a、16b也被称为周边表面/边缘或外围表面/边缘15a、15b、16a、16b。在某些实施方式中，成对表面15a、15b和16a、16b中的每一对可以是成对平行表面。在某些实施方式中，两对表面14a、14b和15a、15b是成对平行表面，并且三对表面14a、14b、15a、15b、16a、16b相互垂直。

封装结构50(在本文中也可互换地称为“胶囊部”)和LOE 12被布置成使得胶囊部50的光学材料51至少在主外表面14a、14b处直接附接到LOE 12，以与主外表面14a、14b直接接触(即直接邻接)，从而封装LOE 12。直接接触是指在胶囊部50的光学材料51与LOE 12的主外表面14a、14b之间不存在中间材料层。这样的中间材料包括固体材料、半固体材料以及空气。因此，应该清楚的是，根据本发明的实施方式的封装LOE的关键区别在于，在胶囊部50的光学材料51与LOE 12的主外表面14a、14b之间不存在气隙。

在本发明的某些实施方式中，LOE 12由具有中等至适度高的折射率的透光材料形成，折射率优选地在1.5至1.8的范围内(即，1.5≤η_L≤1.8).封装结构50由具有小于LOE的折射率但仍大于空气的折射率(即，大于1)的折射率的光学材料51形成。在优选实施方式中，封装结构50由具有落在1.1至1.4范围内(即，1.1≤η_m≤1.4)，更优选地落在1.2至1.4范围内(即，1.2≤η_m≤1.4)，最优选地落在1.3至1.4的范围内(即1.3≤η_m≤1.4)的折射率的光学材料51形成。在一个非限制性实施方式中，封装结构50由具有约1.34(即η_L＝1.34)的折射率的光学粘合剂形式的透明材料形成，例如可以从美国新泽西州詹姆斯伯格市的诺兰德产品公司商购的光学粘合剂。在本公开内容的后续部分中提供了可以形成胶囊部50的透明材料的类型的详细讨论。

形成封装结构50的光学材料在本文中可互换地称为低折射率材料51。在本文献的上下文中，表述“低折射率”中的术语“低”是相对于LOE 12的折射率而言的。换言之，光学材料51具有与LOE 12的折射率相比要低的折射率，即，光学材料具有比LOE 12的折射率低的折射率(优选地，光学材料具有比LOE的折射率低至少约7％的折射率)。

在所公开的实施方式中，光学材料51包括至少一种透明材料。如将要讨论的，在某些实施方式中，使用单一透明材料来封装LOE。在其他实施方式中，使用(彼此相邻布置的)两种透明材料来封装LOE。在又一实施方式中，使用透明材料和吸光材料来封装LOE。根据本发明的实施方式的所有这些用于封装的透明材料和吸光材料都是符合上述低折射率材料定义的低折射率材料。

通过由中等至适度高的折射率材料构造LOE 12并提供由低折射率材料51形成的胶囊部50，当LOE 12被封装在胶囊部50中时，可以在具有可用的临界角的情况下维持TIR条件。例如，以上述折射率范围的极值为基础，可以实现在约37.7°(当η_m＝1.1并且η_L＝1.8时)至69°(当η_m＝1.4并且η_L＝1.5时)的范围内的临界角。

在某些实施方式中，可能需要将图像照明注入LOE 12，使得注入的照明通过TIR传播并且以大于临界角的角度范围(包括相对于主外表面14a、14b的平面测量的浅角)入射到主表面14a、14b。这些浅角对应于高入射角(angle of incidence,AOI)，优选地为在60°至80°之间的范围内的AOI。通过以大于临界角的角度(包括浅角)进行的TIR在LOE内传播图像照明具有包括图像光场的较大部分的有利效果。这在临界角大于优选角度(例如，大于50°)的情况下可能具有特殊价值，临界角大于优选角度会导致大部分光场低于临界角并且因此不会被捕获在LOE 12中。将图像照明注入LOE以使图像照明通过主表面14a、14b处的TIR被捕获在LOE内，并且使传播的图像照明以大于临界角的角度范围(包括浅角)入射到主表面14a、14b可以通过适当地设计光学耦入构造来实现，例如通过适当地设计耦入棱镜或耦入反射器的角度来实现。

应注意，在图2A至图2C中，LOE 12被示出为由胶囊部50封装，使得除了与表面14a、14b直接接触之外，低折射率材料51也直接接触整个表面15a、15b(如图2A和图2C所示)以及整个表面16a、16b(如图2B和2C所示)。尽管图2A至图2C示出了低折射率材料与表面15a、15b、16a、16b的直接接触，但这种接触只是可选的，并且在主外表面14a、14b处的封装是优选最小封装量，因为这种封装为TIR提供必要的工作条件。事实上，在某些非限制性实现方式中，可能更实际的是，封装LOE以使低折射率材料仅附接在LOE的主表面处。

在某些优选实施方式中，主外表面14a、14b处的封装是完全封装，由此低折射率材料51的层在每个主外表面14a、14b的整个长度上延伸。然而，在其他优选实施方式中，低折射率材料可以(在某些情况下)部分地延伸跨过主外表面14a、14b的长度，从而可能使LOE12的端部(就在表面15a、15b之前)不与低折射率材料接触。优选地，部分延伸覆盖主外表面14a、14b的以下部分：图像照明通过这些部分传播并最终到达观察者的眼睛。优选地，该部分延伸跨越主外表面14a、14b的绝大部分(或主体)长度(其中绝大部分长度优选地指长度的至少80％，更优选地指长度的至少90％，甚至更优选地指长度的至少95％)。在这些“部分延伸”实施方式中，LOE被认为是“部分封装”。

在附图中使用的任意标记的xyz坐标系中，“长度”是沿x维度测量的。还应注意，低折射率材料51优选地在(垂直于长度的)横贯方向上延伸穿过整个主外表面14a、14b，横贯方向在附图中使用的任意标记的xyz坐标系中是沿z维度测量的。换言之，低折射率材料优选地刚好延伸到边缘16a、16b。

如上所述，在某些非限制性实施方式中，低折射率材料在长度维度(附图中的x维度)上刚好延伸到边缘15a、15b。然而，在某些情况下，低折射率材料可以在长度维度(附图中的x维度)上延伸超过边缘15a、15b，使得低折射率材料的部分与边缘15a、15b直接接触。在某些情况下，低折射率材料还可以在横向维度(附图中的z维度)上延伸超过边缘16a、16b，使得低折射率材料的部分与边缘16a、16b直接接触。

胶囊部50的延伸跨越表面14a的长度的低折射率材料51的层(或多个层)对应于胶囊部50的直接附接到表面14a的第一区域52a。类似地，胶囊部50的延伸跨越表面14b的长度的低折射率材料51的层(或多个层)对应于胶囊部50的直接附接到表面14b的第二区域52b。低折射率材料51具有在主外表面14a、14b处直接接触LOE的内在/内部接触部分。这些内在/内部接触部分也被称为“交界”部分。第一接触部53a位于低折射率材料51的第一区域52a中，并且在表面14a处直接接触LOE 12，从而形成低折射率材料51与LOE 12的表面14a之间的界面。类似地，交界部分的第二接触部分53b位于低折射率材料51的第一区域52a中，并且在表面14b处直接接触LOE 12，从而形成低折射率材料51与LOE 12的表面14b之间的界面。因此，注入LOE 12的图像照明通过主外表面14a、14b处的TIR被引导(即传播)，并且等效地通过低折射率材料51与表面14a、14b之间的界面处的TIR被引导。

低折射率材料51的区域52a、52b中的每一个具有相关联的厚度。具体地，区域52a具有在表面14a(以及等效地，交界部分的接触部分53a)与胶囊部50的低折射率材料51的外表面54a之间测量的相关联的厚度T₁。类似地，区域52b具有在表面14b(以及等效地，交界部分的接触部分53b)与胶囊部50的低折射率材料51的外表面54b之间测量的相关厚度T₂。

类似的原理适用于低折射率材料与LOE 12的其他表面15a、15b、16a、16b中的一个或更多个表面直接接触的情况。例如，低折射率材料可以具有直接接触LOE 12的其余表面15a、15b、16a、16b的附加交界部分。这些附加交界部分位于胶囊部50的区域中，这些区域中的部分可以与区域52a、52b交叠。

应当注意，虽然胶囊部50的外表面(例如，表面54a、表面54b以及未在附图中标记的其他外表面)被示出为平面表面，但是胶囊部的外表面中的一个或更多个(在某些情况下是全部)可以是弯曲的或其他形式的非平面表面。

顺便提及，为了附图中清楚以更好地说明本发明的原理，夸大了LOE 12和胶囊部50的尺寸，包括两个区域52a、52b的厚度。一般而言，区域52a、52b处的低折射率材料51的厚度可以小至2μm，并且可以大至如光学设计和制造限制所允许的。然而，在某些实施方式中，低折射率材料51的厚度优选地不超过100μm，即，低折射率材料51的厚度优选地在2μm至100μm之间的范围内。事实上，会特别有利的是，将两个区域52a、52b的厚度保持相对小，更优选地在2μm至20μm之间的范围内，甚至更优选地在2μm至10μm之间的范围内，这样可以提高光学性能并且同时减小光学器件的整体体积。优选地，表面14a、14b处的低折射率材料51的厚度足够小，使得低折射率材料51的表面图案遵循表面14a、14b处的瑕疵图案。这些瑕疵图案通常是表面14a、14b处的微米级缺陷，例如呈沿着表面14a、14b的各个部分的微小凹痕的形式，并且可能在LOE 12的制造过程期间例如在抛光阶段期间出现。瑕疵图案可能导致由TIR引导通过LOE 12的图像照明的一定比例强度从LOE 12逸出。如果低折射率材料51太厚，则逸出LOE 12的图像照明可能以不期望的角度被低折射率材料反射回LOE 12，从而可能会导致重影并降低光学性能。通过使低折射率材料足够薄，更优选地在2μm至20μmm之间的范围内，甚至更优选地在2μm至10μmm之间的范围内，低折射率材料的表面图案将遵循LOE表面14a、14b的瑕疵图案表面，使得通过表面14a、14b逸出LOE 12的TIR引导的照明最经常也从低折射率材料逸出，从而不被重新引入LOE 12。

注意，低折射率材料51的上述厚度范围也可以表示为(在表面14a、14b之间的y维度上测量的)LOE厚度的百分比。在优选实施方式中，LOE 12的厚度通常在0.6mm至1.5mm(600μm至1500μm)的范围内。因此，大于2μm、优选地在2μm至100μm之间、更优选地在2μm至20μm之间、甚至更优选地在2μm至10μm之间的低折射率材料51的厚度范围分别对应于：大于LOE厚度的0.13％、优选地在LOE厚度的0.13％至16.67％之间、更优选地在LOE厚度的0.13％至3.33％之间、甚至更优选地在LOE厚度的0.13％至1.67％之间。

一般来说，胶囊部50可以由各种类型的透明低折射率材料形成。这样的透明材料包括但不限于块状材料(例如玻璃或聚合物)、光学粘合剂、介电材料、聚合物材料(例如聚合物树脂)等。所有这些材料都可以使用各种已知技术在表面14a、14b处直接附接(即，直接结合)到LOE 12，这些技术有助于在不使用低折射率材料51与表面14a、14b之间的任何中间材料或层的情况下的直接附接。

在某些实施方式中，可以将一层或更多层低折射率材料51直接附接到表面14a、14b。这可以特别适用于将低折射率材料实现为低折射率光学粘合剂的实施方式，光学粘合剂也可以容易地适应将附加光学部件或元件附接到LOE。

在其他实施方式中，优选的会是，提供低折射率材料的单个薄层。这可以特别适用于将低折射率材料实现为低折射率介电材料或低折射率聚合物的实施方式。

在又一实施方式中，可以在LOE的不同区域处部署两种或更多种低折射率材料，以协同封装LOE。这样的实施方式在LOE提供二维孔径扩展的情况下特别有利，如将在本公开内容的后续部分中讨论的。

用于将低折射率材料51附接/结合到表面14a、14b的技术可以取决于所使用的低折射率材料的类型。例如，如果使用块状材料，则可以使用超声处理或热处理结合工艺将块状材料直接附接到表面14a、14b。在这方面，在本公开内容的上下文中，块状材料是指可以使用在固态材料与LOE 12之间不存在任何中间材料的情况下致使直接结合的任何工艺(例如，超声处理、热处理等)直接附接到LOE 12的表面14a、14b的任何固态材料，包括例如玻璃或聚合物。

注意，LOE 12的主表面14a、14b以及胶囊部50的表面54a、54b优选地经抛光以提高光学质量。可以使用本领域已知的任何抛光工具或设备执行抛光。

通过胶囊部50将LOE 12封装的过程在本文中被称为封装过程。可以使用本领域已知的各种技术来执行封装过程，包括但不限于浸涂、旋涂、结合和模制(molding)。浸涂和旋涂二者都是在基板制造和加工领域众所周知的工业涂敷工艺。结合技术已经在上面讨论过，并且在低折射率材料51是固态(块状材料)时特别适用。诸如注塑之类的模制技术在将低折射率材料51实现为聚合物或聚合物树脂的实施方式中会特别有用。在这样的实施方式中，可以将LOE 12插入限定胶囊部的形状的模具中，然后可以将诸如聚合物树脂之类的低折射率材料提供(例如，注入)到模具中，然后使其固化直到凝固，然后可以从模具中取出封装LOE。

在某些情况下，通过LOE 12传播的图像照明或者来自外部场景的照明可能会射在LOE的部分上，例如LOE 12的其他表面15a、15b、16a、16b中的一个或更多个表面上，这可能导致部分照明的散射。在某些情况下，这种散射照明可以例如经由光学耦出构造30的偏转而到达用户的眼睛。为了减轻并优选地完全防止光散射效果，本发明的某些实施方式在LOE12的周边边缘15a、15b、16a、16b处的层)处提供了不透明材料例如吸光涂料(例如黑色涂料)层(或多个层)。因此，当照明射在不然会进行散射的周边边缘15a、15b、16a、16b上时，照明优选地被不透明材料吸收。

在某些实施方式中，可以通过减小将被不透明材料涂覆的周边边缘15a、15b、16a、16b的表面积来简化不透明材料涂覆过程。在详细讨论这种简化之前，首先要注意的是，LOE12通常可以细分为有效区域和无效区域，在有效区域中，图像照明传播并最终被引向用户，在无效区域中，图像照明不传播或者图像照明未被引向用户。有效区域和无效区域分别可互换地称为“成像区域”和“非成像区域”。成像区域可以由以下包络限定：该包络由在LOE12内传播的被光学耦出构造30向EMB偏转的所有光线路径勾画出。图3示出了类似于图2C所示的LOE 12的示意性前视图，不同之处在于，此处LOE 12被示出为具有有效区域17(由虚线划界)和无效区域19。

在某些实施方式中，可以通过以下操作来减小周边边缘15a、15b、16a、16b的表面积：切割或修整LOE 12以基本上去除整个(即，全部或大部分)无效区域19，从而提供实际上只包含有效区域的LOE。图4A示出了这样的LOE 12’。在某些实施方式中，LOE 12’是从LOE12(此处，LOE 12也称为前体LOE)切割或修整得到的预切割LOE。因此，LOE 12(通过切割/修整)被修改以去除无效区域19，从而产生仅具有有效区域17的经修改的LOE 12’。然后，可以将经修改的LOE 12’在表面14a、14b处进行抛光以提高光学质量。替选地，可以在切割/修整以去除无效区域17之前对前体LOE 12的表面14a、14b进行抛光。

如图4B所示，然后可以在减小的周边边缘15a、15b、16a、16b处用不透明材料23将经修改/预切割的LOE 12’进行涂覆。一旦用不透明材料23进行涂覆，然后经涂覆的LOE 12’可以(使用封装过程，例如上述任何封装过程/技术)由胶囊部50封装，使得胶囊部50的低折射率材料51直接附接/结合到LOE的表面14a、14b。在某些实施方式中，低折射率材料51还在周边边缘15a、15b、16a、16b处直接附接/结合到不透明材料23。图4C和图4D示出了具有胶囊部50的经涂覆的LOE 12’的不同视图，其中低折射率材料也直接接触周边边缘15a、15b、16a、16b的。然后，可以抛光胶囊部50的表面54a、54b以提高光学器件的光学质量。

如图4E所示，可以将封装LOE 12’选择性地切割或修整以实现期望的目镜轮廓。特别地，可以将胶囊部50的低折射率材料51进行切割或修整以获得具有目镜轮廓的期望形状。这在封装LOE旨在安装作为例如以眼镜形状因数实现的近眼显示装置的一部分时尤其有用。

在某些实施方式中，可以修改LOE 12或12’以适应光学耦入构造的放置。可以通过(在封装之前)切割/修整LOE以限定LOE的耦入区域来完成LOE的修改。图4F示出了LOE 12’的以下示例：该LOE 12’的示例已经被进一步修改以在被胶囊部50封装之后包括耦入区域25(可以通过耦入区域25注入图像照明)。可以对LOE 12进行类似修改。替选地，可以例如通过研磨/切割/修整胶囊部50的位于将成为耦入区域的区域中的区域/部分来对封装LOE进行修改以提供具有耦入区域的封装LOE。

应当注意，去除LOE的无效区域不是绝对要求，并且本文设想了其中完全完整无缺的LOE(即，具有有效区域和无效区域二者的LOE)的周边边缘15a、15b、16a、16b中的一个或更多个都涂覆有不透明材料的实施方式。

如前所述，(放置在耦入区域处的)光学耦入构造用于将由图像投影仪(例如图1的图像投影仪18)生成的图像照明注入到LOE中以由TIR引导。如所讨论的，可以适当地设计光学耦入构造以适应图像照明以包括浅角在内的角度的注入。光学耦入构造的设计还可以包括耦入区域的适当设计，即，适当地修改LOE或封装LOE以产生可以适应光学耦入构造的放置的适当耦入区域。

根据本发明的实施方式的封装LOE提供了优于常规未封装LOE的许多优点。首先，根据某些实施方式的封装LOE(例如图4E的封装LOE，其包括仅具有有效区域的经修整的LOE12’以及被修整为适配目镜轮廓的胶囊部50)的重量轻于其常规未封装LOE对应物。另一个优点在于，封装LOE提供了功能元件(例如眼镜框)的直接机械接触。除了这些机械优势之外，根据本发明的实施方式的封装LOE提供了优于常规未封装LOE的某些光学优势。一些显著的光学优势是能够将附加光学元件(例如透镜、保护膜、减少重影的涂层/膜等)直接附接到与主表面14a、14b之一相关联的胶囊部50，而不会不利地影响TIR条件。

现在转向图5A至图8B，示出了具有附接到其上的各种附加光学元件的封装LOE的示例。在所有示例中，第一光学元件(72a/74a/76a/78a)在表面54a处直接附接到胶囊部50，以与主表面14a相关联地部署(即，与用户的眼睛成面对关系)，并且第二光学元件(72b/74b/76b/78b)在表面54b处直接附接到胶囊部50，以与主表面14b相关联地部署(即，背离用户的眼睛，即在LOE的背面)。可以例如通过粘合剂粘合将光学元件72a/74a/76a/78a、72b/74b/76b/78b直接附接到表面54a、54b。在胶囊部50由低折射率光学粘合剂形成的实施方式中，(具有厚度T₁和T₂的)低折射率光学粘合剂也可以用于在表面14a、14b处将光学元件72a/74a/76a/78a、72b/74b/76b/78b结合到LOE。

第一光学元件72a/74a/76a/78a可以被设计和部署为在横向方向(附图中的x维度)和横贯方向(附图中的z维度)上延伸跨越表面54a的一部分、大部分或全部。类似地，第二光学元件72b/74b/76b/78b可以被设计和部署为在横向方向和横贯方向上延伸跨越表面54b的一部分、大部分或全部。

现在转向图5A和图5B，示出了光学元件的第一示例，在该第一示例中，第一光学元件72a呈透镜(其可以是处方透镜，即眼科透镜)的形式，而第二光学元件72b呈保护膜(即，安全保护膜，例如薄光学保护膜)的形式。

透镜72a可以被设计成施加正或负光焦度，并且取决于透镜的设计和部署位置，可以将这种光焦度施加到来自用户通过表面14a、14b可见的外部场景的照明，并且还可以将这种光焦度施加到从LOE 12耦出的图像照明(例如图1中的光线32A、32B)。在示出的示例中，透镜72a是平凸的并且因此施加正光焦度。此外，透镜72a被示出为在横向方向上部分地延伸跨越表面54a并且完全地延伸跨越LOE 12的包含部分反射表面30的部分。因此，在所示示例中，透镜72a向来自外部场景的光以及通过部分反射表面30从LOE 12耦出的图像照明施加正光焦度。

保护膜72b被示出为在横向方向和横贯方向两个方向上完全延伸跨越表面54b。膜72b可以是保护LOE 12免受损坏例如破损、破碎、破裂的保护性安全膜。膜72b还可以是提供防划伤或抗划伤涂层和/或防止灰尘或其他微粒或污染物与LOE接触的(可从例如3M购得的)阻挡膜。

参照图6A和图6B，示出了光学元件的第二示例，在该第二示例中，第一光学元件74a和第二光学元件74b二者都被实现为保护膜(类似于图5A和图5B中的光学元件72b)。在该示例中，膜74a、74b在横向方向和横贯方向两个方向上延伸跨越整个表面54a、54b。

图7A和图7B示出了光学元件的第三示例。在该示例中，第一光学元件76a被实现为第一透镜，第二光学元件76b被实现为第二透镜，第一光学元件76a和第二光学元件76b中的每一个都可以施加光焦度。此处，第一透镜76a是平凸(正)透镜(类似于图5A和图5B中的透镜72a)，第二透镜76b是平凹(负)透镜，因此两个透镜76a、76b的组合提供了双重光焦度。在所示示例中，第一透镜76a在横向方向上部分地延伸跨越表面54a并且在横贯方向上完全延伸跨越表面54a。类似地，第二透镜76b在横向方向上部分地延伸跨越表面54b并且在横贯方向上完全地延伸跨越表面54b。

现在转向图8A和图8B，示出了光学元件的第四示例。在该示例中，第一光学元件78a和第二光学元件78b既是光焦度透镜又是保护透镜，这意味着两个透镜都提供光焦度和保护功能。具体地，透镜78a(其可以是正透镜或负透镜，但在所示示例中被示出为平凸(正)透镜(类似于透镜72a、76a))具有施加到其上的保护膜或涂层(具有类似于膜72b、74a、74b的特性)。类似地，透镜78b(其可以是正透镜或负透镜，但在示出的示例中被示出为平凹(负)透镜(类似于透镜76b))具有施加到其上的保护膜或涂层(具有类似于膜72b、74a、74b的特性)。在所示示例中，透镜78a、78b在横贯方向上完全延伸跨越相应表面54a、54b，但在横向方向上仅部分地延伸跨越相应的表面54a、54b。

需要强调的是，图5A至图8B中所示的构造仅仅是根据本发明的实施方式设想的可能构造的示例性子集，而其他构造(包括具有与两个主表面14a、14b相关联地部署的多个光学元件的组合的构造、以及主表面14a、14b中仅一个主表面具有与其相关联地部署的一个或更多个光学元件的构造)落入本发明的范围内。例如，考虑其中在表面54a处施加保护膜(类似于图6A和图6B中)并且在表面54b处施加透镜(例如负透镜)的实施方式。

尽管迄今为止所描述的实施方式涉及具有被实现为一组相互平行的部分反射内表面的光学耦出构造30的LOE，其中该组相互平行的部分反射内表面至少部分地横贯LOE并且倾斜于表面14a、14b(即，部署在该表面内的小平面)，但是该组部分反射表面仅是对光学耦出构造的一种非限制性实现方式的说明，而且其他光学耦合构造可以用于将图像照明从LOE 12耦出。光学耦出构造可以是将通过TIR已经在LOE 12内传播的入射图像照明的一部分偏转到一定角度而使得图像照明的被偏转部分离开LOE 12的任何光学耦合布置。这样的合适的光学耦合布置的其他示例包括但不限于部署在表面14a、14b中的任一个(当光学耦入构造被实现为一个或更多个衍射元件时最适合使用)上的一个或更多个衍射光学元件(例如衍射光栅)和分束器布置。

迄今为止所描述的实施方式涉及被构造成在一个维度(大约在附图中使用的任意标记的坐标系中的x维度)中执行孔径扩展的LOE的封装。然而，使用上述封装方法/技术执行二维孔径扩展的LOE的封装也落入本发明的范围内。事实上，本文描述的封装方法在某些情况下可能更适用于执行二维孔径扩展的LOE架构。多年来，已经开发了用于执行二维孔径扩展的基于LOE的光学器件的各种解决方案，包括由鲁姆斯有限公司(以色列)开发的两类示例性解决方案，每类解决方案都基于各自使一定比例的传播的图像照明偏转的LOE(被实现为一个或更多个透光基板)的两个相应区域内的两组部分反射表面(即，两组光学耦合构造)。

在由鲁姆斯开发的并且在包括例如PCT公布第WO 2020/049542号的各种出版物中进行描述的一类示例性解决方案中，使用所谓的“复合LOE”来实现二维孔径扩展。一般而言，这些复合LOE采用两个区域，每个区域都是透明(即透光)材料的平行面对的板，用于促进准直图像照明通过平行的主外表面处的TIR进行的传播，并且每个区域包括光学耦合构造(例如，一组相互平行的部分反射内表面(即，部署在LOE内的小平面)或衍射元件)，该光学耦合构造将图像照明重定向并且同时实现光学孔径的扩展。

在同样由鲁姆斯开发并且在包括例如美国专利第10,133,070号的各种出版物中描述的另一类示例性解决方案中，利用与第二板型LOE光学耦合的第一矩形LOE来实现二维孔径扩展，第一LOE和第二LOE均支持通过内反射传播图像照明。一般而言，这些基于矩形LOE的解决方案也采用两个区域，其中第一个区域包括矩形LOE，该矩形LOE被形成为长形基板，具有形成矩形截面的两对平面平行主外表面。矩形LOE支持图像照明通过两对主外表面处的全内反射(称为四重全内反射)进行传播。第二区域包括板型LOE，该板型LOE与矩形LOE光学耦合，并且具有类似于图1的LOE的外形。换言之，第二板型LOE具有一对平行主表面和倾斜于主平行表面的一组内部部分反射表面(小平面)。矩形LOE还具有以与矩形LOE的伸长方向成斜角的一组平行小平面，该组平行小平面使通过矩形LOE传播的一定比例图像照明被偏转到第二LOE中，从而通过第二LOE的一对平行主表面处的TIR被引导通过第二LOE。通过第二LOE传播的一定比例的图像照明被第二LOE的小平面偏转，以从第二LOE朝向观察者的眼睛耦出。

因此，在一维孔径扩展的上下文中描述的光学耦出构造30可以更一般地被称为使在LOE内被引导的一定比例的图像照明偏转的光学耦合构造30，并且执行二维孔径扩展的LOE架构可以包括两个(或更多)这样的光学耦合构造，每个这样的光学耦合构造用于使通过TIR传播通过LOE区域的图像照明偏转。在LOE被构造成仅在一个维度上执行孔径扩展的实施方式中，光学耦合构造30使被引导的图像照明的一定比例从LOE朝向用户偏转出去。

考虑到上述内容，以下段落描述了至少部分封装的二维孔径扩展LOE的实施方式。首先，将描述至少部分封装的复合LOE的实施方式，然后将描述基于至少部分封装的矩形LOE的布置的实施方式。

现在参照图9A和图9B，示出了具有封装复合LOE 120的光学器件110的示例的不同视图，该封装复合LOE 120具有位于LOE的两个相应区域中的两个光学耦合构造131、132，每个光学耦合构造都使传播的图像照明偏转。LOE 120被形成为具有一对平行主外表面(面)124a、124b的透明(即，透光)材料板，并且具有包含第一光学耦合构造131的第一区域121(在本文中也被称为“LOE 1”，其为在图9A中由虚线划界)以及包含第二光学耦合构造132的第二区域(在本文中也被称为“LOE 2”，其在图9A中由虚线划界)。在附图中示出的非限制性示例实施方式中，将第一光学耦合构造131实现为具有第一取向的第一组平面相互平行的部分反射内表面(小平面)，并且将第二光学耦合构造132实现为具有与第一取向不平行的第二取向的第二组平面相互平行的部分反射内表面(小平面)。然而，应当注意，也可以将光学耦合构造131、132实现为部署在表面124a、124b中的任一个上的衍射光学元件(例如，衍射光栅)。

顺便提及，在某些实施方式中，用于生产具有封装复合LOE的光学器件的一般步骤类似于用于生产执行一维孔径扩展的具有封装LOE的光学器件的步骤。在这样的实施方式中，这些步骤通常包括：获得LOE，然后通过将低折射率材料直接附接到LOE的主外表面来至少部分地封装所获得的LOE。如在一维实施方式中那样，低折射率材料可以延伸跨越主外表面的整个长度(完全封装)或者可以延伸跨越主外表面的绝大部分长度(部分封装)。在某些实施方式中，获得LOE可以包括：制造LOE。在鲁姆斯有限公司(以色列)的各种出版物(包括例如前述PCT公布第WO2020/049542号)中广泛描述了用于制造复合LOE的方法。在其他实施方式中，封装步骤可以作为复合LOE制造过程的附加步骤来执行。

在将光学耦合构造131、132实现为成组小平面(如附图所示)的实施方式中，第一取向通常是指小平面131斜向倾斜于传播图像照明的方向，而第二取向是指小平面132不平行于小平面131并且还斜向倾斜于表面124a、124b。在一组非限制性示例中，第一取向也可以使得小平面131与主表面124a、124b正交，而在另一组非限制性示例中，第一取向也可以使得小平面131相对于主表面124a、124b成斜角。

相互平行的主外表面124a、124b延伸跨越第一区域121和第二区域122，使得第一组部分反射表面131和第二组部分反射表面131二者都位于主外表面124a、124b之间。

在此由样本光线20示意性表示的对应于由图像投影仪18生成的准直图像的图像照明通过表面124a、124b处的TIR在LOE 120的第一区域121内传播。第一光学耦合构造131使图像照明的一部分从LOE 120的第一区域121内由TIR捕获/引导的第一传播方向偏转到同样在LOE 120内由TIR捕获/引导的第二传播方向。然后，被偏转的图像照明(此处由样本光线21示意性地表示)从第一区域121进入第二区域122，其中第二光学耦合构造132使TIR引导的图像照明的一部分偏转，以将图像照明中的一定比例(在图9B中示意性地表示为样本光线32)从LOE 120并且朝向位于EMB内的观察者/用户的眼睛36逐渐耦出，从而实现第二维度光学孔径扩展。

注意，在与复合LOE实施方式对应的附图中，仅示出了在LOE内传播期间光线的平面内传播方向，但是光线实际上遵循从两个主外表面124a、124b重复内反射的锯齿形路径(类似于图1所示)，并且图像视场的一整个维度由与Y维度中的像素位置对应的相对于主外表面的光线的倾斜角编码。

LOE 120还包括附加的外(周边)表面(边缘)125a、125b、126a、126b，它们可以是或者可以不是成对的平行表面。注意，在所示示例中，胶囊部50的低折射率材料51仅与LOE120的平行主表面124a、124b直接接触，但不与LOE 120的周边表面(边缘)125a、125b、126a、126b接触。然而，应该明显的是，低折射率材料与周边表面(边缘)125a、125b、126a、126b中的一个或更多个直接接触的其他构造也是可能的。

在某些实施方式中，类似于以上在一维孔径扩展LOE 12的上下文中所描述的，边缘125a、125b、126a、126b可以涂覆有不透明材料以减少散射。此外，类似于LOE 12，复合LOE120具有有效区域和无效区域。因此，与之前在LOE 12的上下文中所描述的类似，可以获得仅具有有效区域的复合LOE(例如通过修整/切割复合LOE 120以去除无效区域)，并且经修整的复合LOE的周边边缘可以涂覆有不透明材料。图10示出了复合LOE 120’的以下示例：复合LOE 120’的该示例已被修整以去除大部分或全部无效区域，并且在该示例中得到的周边边缘125a、125b、126a、126b已涂覆有不透明材料23。在该示例中，胶囊部50的低折射率材料51也被示出为与经涂覆的周边边缘125a、125b、126a、126b直接接触。

与参照图5A至图8B描述的LOE类似，LOE 120可以具有包括透镜和保护膜的组合在内的附加光学元件，该附加光学元件经由在低折射率材料51的外表面54a、54b处直接附接到胶囊部50来附接到LOE 120。图11示出了一个非限制性示例构造，在该构造中，第一光学元件82a(此处表示为透镜，例如眼科透镜)附接在胶囊部50的前表面54a处，并且第二光学元件82(此处表示为保护膜)附接在胶囊部50的后表面54b处。虽然在附图中仅示出了将光学元件82a和82b分别实现为透镜和保护膜的一个示例性构造，但是应该清楚的是，以上在执行一维孔径扩展的LOE的上下文中讨论的透镜和/或保护膜的任何组合在此处也适用于执行二维孔径扩展的LOE 120的上下文中。

应当注意，虽然图11将透镜82a示出为在横向维度(附图中的x维度)上沿着整个表面54a延伸，以在横向维度上沿着整个主表面124a延伸，使得透镜82a与主表面124a的在LOE120的每个区域121、122中的部分相关联，但是在某些情况下，可能限制透镜82a的尺寸，使得透镜82a在横向维度上仅延伸穿过表面54a的一部分，使得透镜82a仅与主表面124a的位于LOE 120的第二区域122中的部分相关联。在某些情况下，这可能更实用，因为在LOE 120的第二区域122中图像照明被小平面132偏转出去，而且通过该第二区域122眼睛36可以观察外部场景(经由主表面124a、124b)。

如在本公开内容的前面部分中提到的，为了清楚起见在附图中夸大了两个区域52a、52b的厚度(T₁和T₂)(它们分别对应于胶囊部50的延伸跨越表面124a和124b的长度的低折射率材料51的层)以更好地说明本发明的原理，但是特别有利的会是保持两个区域52a、52b的厚度相对较小以提高光学性能并且同时减小光学器件的整体体积。具体地，表面124a、124处的低折射率材料51的厚度优选地足够小，使得低折射率材料51的表面图案遵循表面124a、124b处的瑕疵图案，使得通过表面124a、124b逸出LOE 120的TIR引导的照明最经常地也从低折射率材料51逸出，以免被重新引入LOE 120。然而，可能会出现如下情况：偏离主图像的图像照明从LOE 120逸出并且进入区域52a、52b中的一者或两者，并且在表面54a或54b处通过TIR被反射(由于逸出照明以大于由低折射率材料51的折射率和围绕胶囊部50的介质(通常是空气)限定的临界角的入射角射在在表面54a或54b上)回到LOE 120成为散射光。此外，可能会出现如下情况：来自场景(例如，外部场景)的光可能进入LOE并且被光学耦合构造之一朝向用户的眼睛反射。这些情况在图12中示意性地示出，图12示出了LOE 120的第一区域121的放大的局部侧视图。如图12中所示，从主TIR引导图像20偏离并且(经由表面124a)从LOE 120逸出到胶囊部50的区域52a的照明(示意性地表示为粗样本光线27)在表面54a处通过TIR被反射，然后重新进入LOE 120(经由表面124a)成为散射光(示意性表示为粗样本光线29)。还示出了来自外部场景的光(示意性表示为粗样本光线31)，该光(经由表面124b)进入LOE 120，并且被光学耦合构造131偏转/反射为朝向用户的眼睛36的反射光(示意性表示为粗样本光线33)。

为了减轻上述情况中的散射和不期望的反射，本公开内容的某些实施方式在低折射率材料51的一个或更多个部分处提供一层或更多层吸光材料。现在参照图13A和图13B，示出了光学器件110的不同视图，该光学器件110具有与低折射率材料51的部分相关联地部署的、优选地经由与低折射率材料51的部分的直接附接来部署的吸光材料60。在所示示例中，将例如可以实现为一层或更多层黑色涂料的吸光材料60直接沉积或涂覆在直接附接到LOE 120的第一区域121中的表面124a、124b的低折射率材料51的表面54a、54b中的每一者的少部分(表面积)上。低折射率材料51的表面54a、54b中的被吸光材料60覆盖的少部分大致构成低折射率材料51的覆盖由第一光学耦合构造131在xz平面中的投影所横跨的区域的整个表面区域，并且优选地包括低折射率材料51的略微延伸超出所横跨区域的表面区域。这有助于确保来自外部场景的以不然将支持进入LOE并且从光学耦合构造131偏转的角度到达光学器件的照明被吸光材料61吸收。大体来说，低折射率材料51的被吸光材料60覆盖的区域大致包括低折射率材料51的覆盖LOE 120的第一区域121的整个表面区域，并且还可以包括LOE 120的在区域121、122之间的一些中间区域(或第二区域122中的一些区域)，以稍微延伸超过第一光学耦合构造131在xz平面中的投影。按比例，低折射率材料51的表面54a、54b中被吸光材料60覆盖的少部分构成部署在表面124a、124b中的每一个处的低折射率材料的的表面区域的大约10％至20％。

图14示意性地示出了吸光材料对逸出照明(光线27)和场景照明(光线31)的影响。如图所示，从主TIR引导图像20偏离并且(经由表面124a)从LOE 120逸出到胶囊部50的区域52a中的照明27由部署在表面54a处的吸光材料60吸收，从而防止在表面54a处发生TIR并且防止散射光重新进入LOE 120。还如图所示，来自外部场景的照明31被部署在表面54b处的吸光材料60吸收，从而防止光学耦合构造131将照明31朝向用户的眼睛偏转/反射。

为了防止菲涅耳(Fresnel)反射或TIR反射，吸光材料60优选地具有与形成胶囊部50的低折射率材料51的折射率相同(即，相等)或稍高的折射率。稍高是指吸光材料60的折射率优选地与形成胶囊部50的低折射率材料51的折射率相比不大于/高于10％(更优选地不大于/高于5％)。

由于眼睛36位于位于LOE 120的第二区域121前面的EMB中，所以吸光材料60的层不会干扰用户对由第二光学耦合构造131耦出的图像照明的可见性或者用户对外部场景的可见性，外部场景通过表面124a、124b可见。

如上所述，在某些实施方式中，胶囊部50可以由多于一种的低折射率材料形成。图15示出了这样的实施方式的非限制性示例，其中第一低折射率材料61直接附接到表面124a、124b的在第一区域121中的部分，并且第二低折射率材料62直接附接到表面124a、124b的在第二区域122中的部分。第二低折射率材料62是透明材料，并且第一低折射率材料可以是或者可以不是透明材料。此处，将胶囊部50的第一区域52a细分为两个子区域52a-1和52a-2，并且将胶囊部50的第二区域52b细分为两个子区域52b-1和52b-2。第一低折射率材料61在子区域52a-1和52b-1中，而第二低折射率材料62在子区域52a-2和52b-2中。两种低折射率材料61、62相邻放置以形成胶囊部，并因此协作以至少部分地封装LOE。换言之，胶囊部50的一部分由第一低折射率材料61形成，而胶囊部50的另一部分由第二低折射率材料62形成。优选地，在LOE 120的主外表面124a、124b中的每一个处，附接到LOE 120的主外表面的第二低折射率材料62的外表面62e是附接到LOE 120的主外表面的第一低折射率材料61的外表面61e的延续，从而形成胶囊部50的外表面54a、54b。

优选地，两种低折射率材料61、62具有相同或相似的折射率。然而，这不是绝对要求，并且尽管在两种材料61、62之间折射率发生变化，LOE 120仍然可以提供二维孔径扩展。例如，第一低折射率材料61可以具有约为1.2的折射率，并且第二低折射率材料62可以具有1.3的折射率。

在某些实施方式中，第一低折射率材料61是透明材料。在其他实施方式中，第一低折射率材料61是具有低折射率的吸光材料，例如被实现为具有固有低折射率(例如，约1.3的折射率)的黑色涂料。在这样的其他实施方式中，第一低折射率材料61执行多种功能，包括例如：i)在主外表面124a、124b的处于第一区域121中的部分处维持TIR条件；ii)通过吸收来自外部场景的照明来防止外部场景照明进入LOE 120，其中所述外部场景照明不被吸收的话将经由主外表面124a、124b的位于第一区域121中的部分进入LOE 120，并且从第一光学耦合构造131偏转；以及iii)通过吸收逸出照明来防止通过主外表面124a、124b的位于第一区域121中的部分从LOE 120逸出的TIR引导照明重新进入LOE 120。

注意，在第一低折射率材料61是低折射率吸光材料的实施方式中，第一低折射率材料61优选地覆盖与图13B和图14的吸光材料60相关联的主外表面124a、124b相同或相似的表面区域。换言之，第一低折射率材料61优选地覆盖主外表面124a、124b的以下表面区域：该表面区域由第一光学耦合构造131在xz平面中的投影所横跨，并且优选地略微延伸超出该投影。

此外，由于在此类其他实施方式中低折射率材料61本身是吸光材料，因此可能不需要附加吸光材料层(例如，如图13B和14所示)。

在某些情况下，在附加光学元件(例如，保护膜)经由低折射率材料(或多种低折射率材料)附接到LOE的特定实施方式中，可能有利的是，将附加的一个或更多个涂层施加到光学元件的全部或部分暴露表面，以增加机械稳定性并帮助阻挡来自外部场景的不需要的光进入LOE。可以用于附加涂层的一种示例性材料是抗反射(anti-reflective，AR)涂层，其提供刚性(机械稳定性)和抗反射特性。可以用于附加涂层的另一种示例性材料是吸光材料，例如黑色涂料。图16A和图16B示出了根据一个非限制性示例实施方式的LOE的各种视图，其中涂层63(例如，一层或更多层AR涂层、一层或更多层黑色涂料)施加到保护膜中(例如，薄的光学保护膜)的附接到与主外表面124b之一附接的低折射率材料(或多种低折射率材料)的部分82b。为了说明清楚，图16B中未示出光学耦合构造131、131。优选地，涂层63覆盖膜82b的一些或全部主表面(优选地，至少覆盖膜82b的主表面83b的与LOE 120的第一区域121相关联的部分，例如膜82b的附接到第一低折射率材料61的部分)以及膜82b的边缘和低折射率材料的边缘(直到与LOE 120的主表面124b的相交处)。这确保了低折射率材料本身不受环境影响，从而防止低折射率材料从LOE上脱落或剥落。在所示示例中，胶囊部50由两种低折射率材料61、62形成，并且涂层63覆盖膜82b的主表面83b的与第一低折射率材料61相关联的部分。然而，应该清楚的是，在某些非限制性构造中，涂层63也可以被部署为覆盖膜82b的主表面83b的与第二低折射率材料62相关联的部分。

此外，应当明显的是，涂层63的部署也适用于使用单一低折射率材料形成胶囊部的情况。在这样的构造中，涂层63可以被部署为仅覆盖在与低折射率材料的与第一区域121相关联的部分相关联的膜82b的主表面的部分中，或者可以被部署为覆盖膜82b的整个主表面。还应注意的是，虽然图16A和图16B将涂层63示为部署在与用户眼睛相反的主外表面124b相关联的保护膜82b上，但是涂层63也可以部署在与面向用户眼睛的主外表面124a相关联的保护膜(类似于保护膜82b)上(即，附接到与主外表面124a附接的低折射率材料的保护膜，类似于例如图6A所示的膜74a)。涂层63在与主外表面124b相关联的保护膜上的这种部署可以是涂层63在与主外表面124b相关联的膜82b上的部署的补充或替代，如图16A和图16B所示。

尽管本文所述的至少部分封装的复合LOE涉及光学耦合构造的特定非限制性构造，但是在鲁姆斯有限公司(以色列)的现有出版物(特别是在前述PCT公布第WO2020/049542号，以及PCT公布第WO2020/152688号和PCT申请第PCT/IL2020/051354号)中详细讨论了采用例如不同的成像注入位置和几何结构、不均匀的小平面间距或引入附加(例如，第三)组的部分反射内表面的其他变型实施方式。这些附加特征都可以在本发明的上下文中实现，但是为了简洁起见，此处不再详细阐述。

现在转向图17A和图17B，示出了根据本发明的另一个实施方式的具有执行二维孔径扩展的至少部分封装LOE 205的光学器件200的示例的不同视图。此处，LOE 205是基于矩形基板的架构，并且在第一区域(或LOE部段)221中包括第一(矩形)LOE 210，LOE 210被形成为具有伸长方向(任意显示为沿z轴)和形成矩形横截面的两对主要平行外表面(面)212a、212b、214a、214b的透光基板。第一光学耦合构造131在此表示为多个相互平行的部分反射内表面(小平面)131，小平面131至少部分地横贯LOE 210并且斜向倾斜于LOE 210的伸长方向(即小平面131倾斜于表面212a、212b)，用于使通过LOE 210传播的图像照明偏转。

矩形LOE 210在LOE 205的第二区域(或LOE部段)222中与第二板型LOE 220光学耦合，LOE 220在结构上类似于参照图1至图2C描述的LOE 12。具体地，LOE 220被形成为具有一对平行的主外表面224a、224b的透光基板，LOE 220通过表面224a、224b处的TIR引导图像照明通过LOE 220，并且LOE 220具有第二光学耦合构造132，此处第二光学耦合构造132被表示为多个相互平行的部分反射内表面132，该部分反射内表面132至少部分地横贯LOE220并且斜向倾斜于面224a、224b。优选地，成对表面224a、214a和224b、214b均平行且共面，使得表面224a、214a形成与由表面224b、214b形成的表观单一表面平行的表观单一表面。

LOE 210、220之间的光学耦合以及部分反射表面131、132的部署和构造使得当与准直图像对应的图像照明20以初始传播方向以倾斜于两对平行面212a、212b、214a、214b的耦合角耦合(注入)到矩形LOE 210中时，图像沿矩形LOE 210通过四重全内反射(图像a1、a2、a3、a4)前进，一定比例强度的图像在部分反射表面131处被反射，以耦合到板型LOE 220中，然后在LOE 220内通过两重全内反射(图像b1，b1)传播，一定比例强度的图像在部分反射表面132处被反射(偏转)，以从平行面224b之一被向外引导为观察者的眼睛36看到的可见图像32。

应当理解的是，除非另有明确说明，否则与复合LOE 120/120’的至少部分封装相关的构思(包括使用由低折射率材料(其可以包括一种或更多种透明低折射率材料，或者与吸光低折射率材料相邻的透明低折射率材料)形成的胶囊部的至少部分封装、将附加光学元件附接到低折射率材料、部署附加涂层、轮廓成形以适配眼镜透镜的形状以及其他此类构思，如以上在复合LOE 120/120’的上下文中描述的所有构思)此处也适用于基于矩形的LOE 205的上下文。因此，此处不再赘述LOE 205的封装的细节及其相关构思，而仅作一般性讨论。

考虑到上述内容，通常，封装LOE 205的胶囊部50可以由单一的低折射率材料(其与表面214a、214b、224a、224b直接接触)形成，或者可以由与表面214a、214b直接接触的第一低折射率材料以及与表面224a、224b直接接触的第二低折射率材料)形成。在附图中，胶囊部50被示出为由两种低折射率材料61、62形成，其中第一低折射率材料61与表面214a、214b直接接触，而第二低折射率材料与表面224a、224b直接接触。在某些实施方式，例如图18所示的实施方式中，附加光学元件82a、82b(此处分别表示为透镜和保护膜)可以经由直接与胶囊部50的低折射率材料的相关部分的直接附接来与LOE 205的正面和背面相关联地部署。在所示示例中，透镜82a在x维度中仅部分地沿LOE 205延伸，使得透镜82a覆盖区域222，然而，类似于如上所述，透镜82a可以在x维度上完全延伸跨越表面214b、224b。应该清楚的是，以上在执行一维孔径扩展的LOE的上下文中讨论的透镜和/或保护膜的任何组合在此处也适用于执行二维孔径扩展的LOE 205的上下文。

顺便提及，虽然图17A示出了其中矩形LOE 210的整个主外表面214a、214b具有附接的第一低折射率材料61并且板型LOE 220的整个主外表面224a、224b具有附接的第二低折射率材料62的非限制性示例，但是其他构造也是可能的。例如，第一低折射率材料61可以(进一步沿着x轴)向下延伸，以还附接到板型LOE 220的主外表面224a、224b的少部分(位于板型LOE 220的靠近两个LOE 210、220之间的耦合的“上”部分)。

在某些实施方式，例如图19所示的实施方式中，吸光材料60可以与和第一区域221接触的低折射率材料(即，与矩形LOE 210的表面214a、214b接触的低折射率材料)相关联地部署。在其他实施方式中，可以将与表面214a、214b接触的低折射率材料(例如，图17A中的低折射率材料61)实现为具有低折射率的吸光材料，例如具有固有的低折射率的黑色涂料。尽管附图中未示出，但可以将附加涂层(例如，AR、黑色涂料)施加到与LOE 205的第一区域221中的低折射率材料附接的保护膜，类似于图16A和图16B中所示。

注意，与LOE 120/120’的封装可能不同的LOE 205封装的一个方面涉及表面212a、212b。通常，对于本文公开的所有LOE，通过TIR反射照明的任意成对主外表面的光学特性应该相同。由于矩形LOE 210通过四重全内反射来引导光，因此相对的表面212a、212b的光学特性应该相同，使得以给定角度射到表面212a、212b的照明被表面212a、212b以相同的角度反射。因此，如果胶囊部50的低折射率材料也直接附接到表面212a(例如图17A至图19中所示的低折射率材料61或62)，则应注意确保相对的表面212a、212b的匹配的光学特性得到保持，使得在表面212b处通过TIR反射的角度范围与在表面212a处通过TIR反射的角度范围相同。

在某些实施方式中，用于生产具有基于封装的矩形LOE的布置的光学器件的一般步骤类似于用于生产具有封装的复合LOE和执行一维孔径扩展的LOE的光学器件的步骤。在这样的实施方式中，这些步骤通常包括：获得基于矩形LOE的布置(即，获得LOE 205)，然后通过将低折射率材料直接附接到LOE 210的主外表面214a、214b(并且优选地还附接到表面212a)和主外表面224a、224b来封装LOE 205。在某些实施方式中，获得LOE可以包括：制造LOE 205。用于制造基于封装的矩形LOE的布置的方法已经在鲁姆斯有限公司(以色列)的各种出版物(包括例如在前述美国专利第10,133,070号以及在共同未决的PCT申请第PCT/IL2022/050500号)中广泛描述。在某些实施方式中，封装步骤可以作为LOE制造过程的附加步骤来执行。

已经出于说明的目的呈现了对本公开内容的各种实施方式的描述，但是其并非旨在是穷举的或限于所公开的实施方式。在不脱离所描述的实施方式的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是明显的。选择本文所使用的术语以最好地解释实施方式的原理、实际应用或相对市场上存在的技术改进，或使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施方式。

如本文所用，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代。

在本文中使用词语“示例性”来表示“作为示例、实例或说明”。被描述为“示例性”的任何实施方式不必须被解释为比其他实施方式优选或有利和/或排除对来自其他实施方式的特征的结合。

应当理解的是，为清楚起见而在分开的实施方式的上下文中描述的本发明的一些特征也可以在单个实施方式中组合地提供。相反，为了简洁起见在单个实施方式的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合或根据需要在本发明的任何其他描述的实施方式中提供。在各种实施方式的上下文中描述的一些特征不应被认为是这些实施方式的必要特征，除非该实施方式在没有这些元件的情况下是不可操作的。

就所附权利要求是在没有多项引用的情况下撰写的而言，这样做仅是为了适应不允许这样的多项引用的司法管辖区的形式要求。应当注意的是，通过使权利要求多项引用而将隐含的特征的所有可能组合被明确地设想并且应当被认为是本发明的一部分。

尽管已经结合本发明的特定实施方式描述了本发明，但是显然，对于本领域技术人员而言，许多替代、修改和变化将是明显的。因此，本发明旨在包括所有这些落入所附权利要求的精神和宽范围内的替选、修改和变化。

Claims

1.一种用于将图像照明引向用户以供观看的光学器件，所述光学器件包括：

由具有第一折射率的透光材料形成的光导光学元件(LOE)，所述LOE包括多个表面，所述多个表面包括一对平行的主外表面，所述一对平行的主外表面用于通过所述主外表面处的全内反射在所述LOE内引导图像照明，所述LOE还包括至少一个光学耦合构造，所述光学耦合构造用于使通过所述主外表面处的全内反射在所述LOE内被引导的所述图像照明中的一定比例偏转；以及

光学材料，其包括至少一种透明材料，所述光学材料至少在所述主外表面处直接附接到所述LOE以与所述主外表面直接接触并且至少部分封装所述LOE，所述光学材料具有小于所述第一折射率的第二折射率，以维持所述主外表面处的全内反射条件，

其中，通过所述主外表面处的全内反射在所述LOE内被引导的图像照明以大于由所述第一折射率和所述第二折射率限定的临界角的角度范围入射到所述主外表面，其中，大于所述临界角的角度包括相对于所述主外表面测量的浅角。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述至少一种透明材料由固态材料形成。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述至少一种透明材料由一层或更多层光学粘合剂形成。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述至少一种透明材料是聚合物或介电材料的薄涂层。

5.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述光学材料具有足够小的厚度，使得所述光学材料的表面图案遵循所述主外表面处的瑕疵图案。

6.根据权利要求5所述的光学器件，其中，所述厚度在从2μm至20μm的范围内。

7.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述第一折射率在从1.5至1.8的范围内。

8.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述第二折射率在从1.3至1.4的范围内。

9.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述至少一个光学耦合构造包括恰好一个光学耦合构造，所述恰好一个光学耦合构造使通过所述主外表面处的全内反射在所述LOE内被引导的所述图像照明中的所述比例从所述LOE朝向所述用户偏转出去。

10.根据权利要求9所述的光学器件，其中，将所述光学耦合构造实现为部署在所述LOE内并且倾斜于所述主外表面的多个相互平行的部分反射表面。

11.根据权利要求9所述的光学器件，其中，将所述光学耦合构造实现为与所述主外表面之一相关联的至少一个衍射元件。

12.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述LOE包括第一区域和第二区域，并且其中，所述至少一个光学耦合构造包括位于所述第一区域中的第一光学耦合构造和位于所述第二区域中的第二光学耦合构造，所述第二光学耦合构造被构造成用于使通过所述主外表面处的全内反射在所述LOE内被引导的从所述第一区域到所述第二区域的图像照明的一部分从所述LOE朝向所述用户偏转出去，并且所述第一光学耦合构造被构造成用于使通过所述主外表面处的全内反射在所述第一区域内被引导的图像照明的一部分朝向所述第二区域偏转。

13.根据权利要求12所述的光学器件，其中，将所述第一光学耦合构造实现为具有第一取向的第一多个相互平行的部分反射表面，并且其中，将所述第二光学耦合构造实现为具有第二取向的第二多个相互平行的部分反射表面，所述第二取向不平行于所述第一取向。

14.根据权利要求12所述的光学器件，其中，将所述第一光学耦合构造实现为与所述主外表面之一相关联的第一至少一个衍射元件，并且其中，将所述第二光学耦合构造实现为与所述主外表面之一相关联的第二至少一个衍射元件。

15.根据权利要求12所述的光学器件，还包括：与所述至少一种透明材料在所述第一区域中的一个或更多个部分相关联地部署的吸光材料。

16.根据权利要求15所述的光学器件，其中，所述吸光材料具有等于所述第一折射率或者与所述第一折射率相比不超过10％的折射率。

17.根据权利要求1所述的光学器件，还包括：附接到所述至少一种透明材料的至少一个光学元件。

18.根据权利要求17所述的光学器件，其中，所述至少一个光学元件包括：透镜，其附接到所述至少一种透明材料的直接附接到所述主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及保护膜，其附接到所述至少一种透明材料的直接附接到所述主外表面中的第二主外表面的第二部分。

19.根据权利要求17所述的光学器件，其中，所述至少一个光学元件包括：第一透镜，其附接到所述至少一种透明材料的直接附接到所述主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及第二透镜，其附接到所述至少一种透明材料的直接附接到所述主外表面中的第二主外表面的第二部分。

20.根据权利要求17所述的光学器件，其中，所述至少一个光学元件包括：第一保护膜，其附接到所述至少一种透明材料的直接附接到所述主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及第二保护膜，其附接到所述至少一种透明材料的直接附接到所述主外表面中的第二主外表面的第二部分。

21.根据权利要求1所述的光学器件，其中，所述LOE是在将所述光学材料直接附接到所述LOE之前从前体LOE切割的预切割LOE，使得所述LOE基本上仅包括所述图像照明在其中传播的有效区域，并且其中，所述LOE的一个或更多个周边边缘涂覆有至少一层不透明材料。

22.一种用于制造将图像照明引向用户以供观看的光学器件的方法，所述方法包括：

获得由具有第一折射率的透光材料形成的光导光学元件(LOE)，所述LOE包括多个表面，所述多个表面包括一对平行的主外表面，所述一对平行的主外表面用于通过所述主外表面处的全内反射在所述LOE内引导图像照明，所述LOE还包括至少一个光学耦合构造，所述光学耦合构造用于使通过所述主外表面处的全内反射在所述LOE内被引导的所述图像照明中的一定比例偏转，其中，通过所述主外表面处的全内反射在所述LOE内被引导的图像照明以大于由所述第一折射率和第二折射率限定的临界角的角度范围入射到所述主外表面，其中，大于所述临界角的角度包括相对于所述主外表面测量的浅角；以及

至少在所述主外表面处将包括所述至少一种透明材料的光学材料直接附接到所述LOE，使得所述光学材料直接接触所述主外表面并且至少部分地封装所述LOE，所述光学材料具有小于所述第一折射率的第二折射率以维持所述主外表面处的全内反射条件。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述LOE包括图像照明在其中传播的有效区域和所述图像照明不在其中传播或者所述图像照明未被引向所述用户的无效区域，所述方法还包括：

在将所述光学材料直接附接到所述LOE之前：

修改所述LOE以去除所述无效区域，使得基本上仅保留所述LOE的有效区域，从而产生经修改的LOE，以及

用至少一层不透明材料涂覆所述经修改的LOE的一个或更多个周边边缘。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述光学材料另外在所述经修改的LOE的一个或更多个周边边缘处直接附接到所述不透明材料。

25.根据权利要求24所述的方法，还包括：切割或修整所述光学材料以获得目镜的轮廓。

26.根据权利要求22所述的方法，还包括：抛光所述至少一种透明材料。

27.根据权利要求22所述的方法，还包括：将至少一个光学元件附接到所述至少一种透明材料。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述至少一个光学元件包括：透镜，其附接到所述至少一种透明材料的直接附接到所述主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及保护膜，其附接到所述至少一种透明材料的直接附接到所述主外表面中的第二主外表面的第二部分。

29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述至少一个光学元件包括：第一透镜，其附接到所述至少一种透明材料的直接附接到所述主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及第二透镜，其附接到所述至少一种透明材料的直接附接到所述主外表面中的第二主外表面的第二部分。

30.根据权利要求27所述的方法，其中，所述至少一个光学元件包括：第一保护膜，其附接到所述至少一种透明材料的直接附接到所述主外表面中的第一主外表面的第一部分；以及第二保护膜，其附接到所述至少一种透明材料的直接附接到所述主外表面中的第二主外表面的第二部分。

31.根据权利要求22所述的方法，其中，所述LOE包括第一区域和第二区域，并且其中，所述至少一个光学耦合构造包括位于所述第一区域中的第一光学耦合构造和位于所述第二区域中的第二光学耦合构造，所述第二光学耦合构造被构造成用于使通过所述主外表面处的全内反射在所述LOE内被引导的从所述第一区域到所述第二区域的图像照明的一部分从所述LOE朝向所述用户偏转出去，并且所述第一光学耦合构造被构造成用于使通过所述主外表面处的全内反射在所述第一区域内被引导的图像照明的一部分朝向所述第二区域偏转，并且其中，所述方法还包括：将吸光材料与所述至少一种透明材料的在所述第一区域中的一个或更多个部分相关联地部署。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述吸光材料具有等于所述第一折射率或者与所述第一折射率相比不超过10％的折射率。

33.根据权利要求22所述的方法，其中，将所述至少一种透明材料直接附接到所述LOE包括：执行选自由浸涂、旋涂、结合和模制构成的组中的过程。

34.一种用于将图像照明引向用户以供观看的光学器件，所述光学器件包括：

由具有第一折射率的透光材料形成的光导光学元件(LOE)，所述LOE包括：

多个表面，所述多个表面包括至少一对平行的主外表面，所述至少一对平行的主外表面用于通过所述主外表面处的全内反射在所述LOE内引导图像照明，

第一区域和第二区域，以及

位于所述第一区域中的第一光学耦合构造和位于所述第二区域中的第二光学耦合构造，所述第二光学耦合构造被构造成用于使通过所述主外表面处的全内反射在所述LOE内被引导的从所述第一区域到所述第二区域的图像照明的一部分从所述LOE朝向所述用户偏转出去，并且所述第一光学耦合构造被构造成用于使通过所述主外表面处的全内反射在所述第一区域内被引导的图像照明的一部分朝向所述第二区域偏转；

透明材料，其至少在所述主外表面处直接附接到所述LOE，以与所述主外表面直接接触并且至少部分地封装所述LOE，所述透明材料具有小于所述第一折射率的第二折射率，以维持所述主外表面处的全内反射条件；以及

吸光材料，其与所述透明材料的在所述第一区域中的一个或更多个部分相关联地部署。

35.一种用于将图像照明引向用户以供观看的光学器件，所述光学器件包括：

第一区域和第二区域，以及

吸光材料，其在所述第一区域中的所述主外表面处直接附接到所述LOE，以与所述第一区域中的所述主外表面直接接触；以及

透明材料，其在所述第二区域中的所述主外表面处直接附接到所述LOE，以与所述第二区域中的所述主外表面直接接触，

其中，所述透明材料和所述吸光材料协作以至少部分地封装所述LOE，并且其中，所述透明材料和所述吸光材料中的每一个具有小于所述第一折射率的折射率以维持所述主表面外的全内反射条件。

36.一种用于将图像照明引向用户以供观看的光学器件，所述光学器件包括：

第一区域和第二区域，以及

至少一种透明材料，其至少在所述主外表面处直接附接到所述LOE，以与所述主外表面直接接触并且至少部分地封装所述LOE，所述至少一种透明材料具有小于所述第一折射率的第二折射率，以维持所述主外表面处的全内反射条件；

至少一个保护膜，其至少与所述至少一种透明材料的一部分相关联，使得所述至少一个保护膜与所述主外表面中的至少一个在所述第一区域中的部分相关联；以及

涂层，其部署在所述至少一个保护膜的至少一部分上，使得所述涂层与所述至少一种透明材料的所述部分相关联。

37.根据权利要求34至36中任一项所述的光学器件，其中，所述第一区域被构造成具有形成矩形横截面的两对平行的主外表面的第一LOE部段，使得所述图像照明通过所述两对平行的主外表面处的全内反射传播通过所述第一LOE部段。